(57)【要約】【課題】超電導体薄膜を多層にしてもジョセフソン接合が劣化しない超電導素子とその製造方法を提供すること。【解決手段】  基板２と、基板２の上に形成された第１超電導体パターン３ａと、第１超電導体パターン３ａ上に形成された絶縁パターン５ａと、下面若しくは膜中にジョセフソン接合のバリア層８ｂが形成されたと共に、絶縁パターン５ａ上において回路要素を構成し、且つ多層の超電導体パターンの中で最上層に形成された第２超電導体パターン８ａとを有する超電導素子による。【選択図】図３
2007324180.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁性基板の上に酸化物超電導薄膜と酸化物絶縁薄膜を交互に積層した多層構造であり、該多層構造にジョセフソン接合を含む超電導素子であって、
（ｉ）ジョセフソン接合として、最上層の酸化物超電導薄膜層の積層と同時に少なくとも一方の接合電極を形成したジョセフソン接合を備え、かつ、
（ii）少なくとも多層構造上の最上層の酸化物超電導薄膜層には、回路要素パターンを具備する
ことを特徴とする超電導素子。
【請求項２】
前記絶縁性基板が、バイクリスタル基板であり、前記ジョセフソン接合が、該基板上に形成されたバイクリスタル型ジョセフソン接合であることを特徴とする請求項１に記載の超電導素子。
【請求項３】
前記絶縁性基板が、バイクリスタル基板であり、前記ジョセフソン接合が、該基板上に形成されたバイクリスタル型ジョセフソン接合、及び、最上層の酸化物超電導層と他の酸化物超電導薄膜層とで形成されたランプエッジ型ジョセフソン接合であることを特徴とする請求項１に記載の超電導素子。
【請求項４】
前記ジョセフソン接合が、最上層の酸化物超電導層と他の酸化物超電導薄膜層とで形成されたランプエッジ型ジョセフソン接合であることを特徴とする請求項１に記載の超電導素子。
【請求項５】
前記回路要素が、配線又はコイルであることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の超電導素子。
【請求項６】
前記絶縁性基板が、基板表面に段差を有する基板であり、前記ジョセフソン接合が、該基板段差上に形成されたステップエッジ型ジョセフソン接合であることを特徴とする請求項１に記載の超電導素子。
【請求項７】
超電導素子の製造方法において、
（ｉ）絶縁性基板の上に、酸化物超電導薄膜と酸化物絶縁薄膜を交互に積層して、多層構造を形成し、
（ii）上記多層構造において、ジョセフソン接合を形成する部位の多層構造を除去して、酸化物超電導薄膜と酸化物絶縁薄膜が露出した断面凹状又は逆台形状の空間、または酸化物超電導薄膜と酸化物絶縁薄膜と絶縁性基板が露出した断面凹状又は逆台形状の空間を形成し、その後、
（iii）最上層の酸化物超電導薄膜を、回路要素を含む回路層として積層するとともに、上記空間内の露出薄膜上にも積層し、上記部位に、ジョセフソン接合を形成する
ことを特徴とする超電導素子の製造方法。
【請求項８】
前記絶縁性基板が、バイクリスタル基板であり、前記多層構造を、該基板に達するまで除去し、該基板上にバイクリスタル型ジョセフソン接合を形成することを特徴とする請求項7に記載の超電導素子の製造方法。
【請求項９】
前記絶縁性基板が、バイクリスタル基板であり、前記多層構造を、該基板に達するまで除去し、該基板上にバイクリスタル型ジョセフソン接合を形成するとともに、他の酸化物超電導薄膜層とでランプエッジ型ジョセフソン接合を形成することを特徴とする請求項7に記載の超電導素子の製造方法。
【請求項１０】
前記ジョセフソン接合が、他の酸化物超電導薄膜層とで形成されたランプエッジ型ジョセフソン接合であることを特徴とする請求項7に記載の超電導素子の製造方法。
【請求項１１】
前記回路要素が、配線又はコイルであることを特徴とする請求項7〜10のいずれかに記載の超電導素子の製造方法。
【請求項１２】
前記絶縁性基板が、基板表面に段差を有する基板であり、前記多層構造を、該基板に達するまで除去し、該基板段差上にステップエッジ型ジョセフソン接合を形成することを特徴とする請求項7に記載の超電導素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超電導素子とその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ジョセフソン接合を備える超電導素子は、単一磁束量子を情報媒体とするSFQ(Single Flux Quantum)回路や、高感度磁場センサであるSQUID(Superconducting Quantum Interference Device)等への実用的な応用が期待されている素子である（特許文献１、２、参照）。
【０００３】
これまで、ジョセフソン接合を備える超電導素子の製造方法が、数多く提案されている（特許文献１〜４、参照）が、ジョセフソン接合は、その形成方法により、幾つかの型に分類される。
【０００４】
二つの単結晶基板を、結晶軸が斜めになるように接合したバイクリスタル基板の上に超電導薄膜を積層すると、該薄膜中に、二つの基板の接合線（バイククリスタル線）に沿って粒界が形成される。この粒界が、ジョセフソン接合のバリア層となり、上記基板上にジョセフソン接合が形成される。
【０００５】
１つの単結晶基板に傾斜面を形成し、この傾斜面上に酸化物超電導体薄膜を積層すると、傾斜面上部の該薄膜中に粒界が形成される。この粒界が、ジョセフソン接合のバリア層となり、上記基板上にジョセフソン接合(ステップエッジジョセフソン接合)が形成される。
【０００６】
ジョセフソン接合には、バイクリスタル基板やステップエッジを用いて、粒界をジョセフソン接合のバリア層として形成したものの他に、特許文献３及び４に示すように、超電導体薄膜に傾斜面を形成し、その傾斜面をアモルファス化した後、この傾斜面上に超電導層を形成するとともに、アモルファスを再結晶化してバリア層にしたランプエッジ型のジョセフソン接合もある。
【０００７】
しかしながら、特許文献１〜４に開示されている超電導素子においては、超電導回路パターンが、基板上に一層しか形成されていないので、これらの超電導素子を用いて、より規模の大きいSFQ回路を作製したり、より感度の高いSQUIDを作製したりすることはできない。
【０００８】
より規模の大きいSFQ回路やSQUID回路を作製するためには、超電導回路パターンを複数積層した多層構造の超電導素子を必要とするが、バイクリスタル基板上に形成したジョセフソン接合の上部に、絶縁体薄膜や、別の酸化物超電導体薄膜を堆積して、多層構造を作製しても良好な特性は得られていない。その理由に関して、従来技術を示して説明する。
【０００９】
図２７に、従来の作製方法を示す。図２７（ａ）は、断面態様を示し、図２７（ｂ）は、平面態様を示す。絶縁体バイクリスタル基板１の上に、１層の超電導薄膜を形成し、その後に回路パターンを形成した超電導薄膜３aを積層すると、バイクリスタル線２上に超電導薄膜粒界３３が形成され、これがジョセフソン接合のバリア層となって、SQUID等の回路を作製できる。この場合、超電導層は１層のみであるから、簡単な構造の回路しか作製できない。
【００１０】
そこで、絶縁体薄膜や、２層目の超電導体薄膜を堆積して多層構造を作製する試みが、これまで幾つかなされている。
【００１１】
図２８に、従来のバイクリスタル基板を用いた多層構造作製方法を示す。図２８（ａ）は、多層構造の断面態様を示し、図２８（ｂ）は、多層構造の平面態様を示す。ジョセフソン接合を１層目の超電導体薄膜３a中に形成するのは、図２７に示す場合と同じであるが、１層目の超電導体薄膜３aの上部に、絶縁層５や、２層目の超電導体層８の堆積を行なうと、堆積に不可欠な基板加熱プロセス中に、絶縁体等を構成する元素が、ジョセフソン接合のバリア層として機能するバイクリスタル基板上の結晶粒界に拡散して、既に形成したジョセフソン接合の接合特性を劣化させる。
【００１２】
図２９に、従来のステップエッジ基板を用いた多層構造作製方法を示す。図２９（ａ）は、多層構造の断面態様を示し、図２９（ｂ）は、多層構造の平面態様を示す。ジョセフソン接合を１層目の超電導体薄膜３a中に形成するのは、図２８に示す場合と同じであり、１層目の超電導体薄膜３aの上部に、絶縁層５や、２層目の超電導体層８の堆積を行なうと、堆積に不可欠な基板加熱プロセス中に、絶縁体等を構成する元素が、ジョセフソン接合のバリア層として機能するステップエッジ上の結晶粒界に拡散して、既に形成したジョセフソン接合の接合特性を劣化させる。
【００１３】
従って、この場合、複雑な構造の超電導回路を作製することができても、ジョセフソン接合の接合特性は劣化しているので、回路特性は良好ではない。
【００１４】
界面改質型ランプエッジ接合の場合でも、ジョセフソン接合を形成した後に、その上部に、絶縁体薄膜や酸化物超電導体薄膜の堆積を行なうと、同様に、加熱プロセス中に、ジョセフソン接合のバリアの結晶構造が変化して接合特性が変化する。ジョセフソン接合の接合特性が変化すると、例えば、該接合に流れる超電導電流値が設計値から変化すると、正常な回路動作をする超電導回路を設計することができなくなる。
【００１５】
次に、界面改質型ランプエッジ接合を用いた従来技術に関して、詳細に説明する。
【００１６】
図３０に、最も簡単な構造を持つ界面改質型ランプエッジ接合を用いた回路の断面を示す。図３０（ａ）は、多層構造の断面態様を示し、図３０（ｂ）は、多層構造の平面態様を示す。絶縁基板２０の上に、１層目の第１超電導体層２３と第１絶縁層２４を堆積した後に回路パターン形成すると、傾斜面２３ｂ上に、第１超電導体層２３がアモルファス化したアモルファス層２３ｃが形成される。
【００１７】
そして、２層目の第２超電導体層３１を堆積すると、第２超電導体層形成のための基板加熱に伴って、アモルファス層は再結晶化して、ランプエッジ接合用バリア層２３ｄに変化する。このランプエッジ接合用バリア層２３ｄが、ジョセフソン接合のバリア層となって、ジョセフソン接合が形成され、種々の回路を作製することができる。
【００１８】
この場合、接合形成後に加熱プロセスが無いので接合特性の変化はないが、接合形成パターン部以外の第1超電導体層の傾斜面２３ｂが露出しているため２３ｂを横切るパターンを形成できず、絶縁層２４上に配線等を設置することを回避せざるを得ず、従って、回路要素、配線等の自由度を著しく阻害している方式と言える。
【００１９】
図３１に、接合層の下部に酸化物超電導体薄膜のグランドプレーン２１を設けた構造を示す。図３１（ａ）は、多層構造の断面態様を示し、図３１（ｂ）は、多層構造の平面態様を示す。この場合も、図３０と同様に、接合形成後に加熱プロセスが無いので接合特性の変化はないが、接合層の上部に配線層等を設置できず、複雑な回路を実現することは困難である。
【００２０】
図３２に、接合層の上部に酸化物超電導体薄膜のグランドプレーン２１を設けた構造を示す。この場合にも、配線層等がないので、複雑な回路を実現することが困難であるのと同時に、接合形成後に、接合上部に、酸化物超電導体薄膜のグランドプレーン２１と、第２絶縁層２７を堆積するので、接合は、加熱プロセスによる影響に曝されて、バリア結晶構造の微妙な変化に伴う接合特性の変化が発生する。
【００２１】
図３３に、接合層の下部に酸化物超電導体薄膜のグランドプレーン２１を設け、さらに、接合層の上部に、３層目の第３超電導体層３２と第２絶縁層２７を堆積して上部配線構造を形成した構造を示す。図３３（ａ）は、多層構造の断面態様を示し、図３３（ｂ）は、多層構造の平面態様を示す。このランプエッジ接合回路では、傾斜面２３ｂを形成する島状領内に回路パターンを形成し該島状領域外へ該パターンを接続するために、該傾斜面２３ｂの一部を用いた上部超電導電極を形成後、残余の傾斜面２３ｂを絶縁膜で被覆することが必要であった。この場合、上部配線層を作製できるので、複雑な回路を実現することは可能であるが、接合形成後に、接合上部に、３層目の第３超電導体層３２と第２絶縁層２７を堆積するので、接合は、加熱プロセスによる影響に曝されて、バリア結晶構造の微妙な変化に伴う接合特性の変化が発生する。
【００２２】
規模の大きなSFQ回路や、複雑なSQUID回路を作製するためには、素子構造を多層化すること、及び、接合近傍の絶縁層２４上に、配線やコイルなどの回路要素を作製することが望ましい。
【００２３】
しかしながら、以上、説明したように、従来技術を用いて、ジョセフソン接合の形成後に、その上部に、配線層等の多層構造を実現すると、粒界ジョセフソン接合の特性劣化や、界面改質型ランプエッジジョセフソン接合の特性変化による回路正常動作の不具合などが生じることになる。
【００２４】
即ち、従来技術では、ジョセフソン接合を有する超電導層の上部に、ジョセフソン接合の接合特性を劣化又は変化させることなく、超電導層や絶縁層を積層し、さらには、最上層による、配線やコイルなどの回路要素の配置の制約を排し、大規模で、かつ、回路特性に優れた超電導素子を作製することは困難である。
【特許文献１】特開平８−３３０６４１号公報
【特許文献２】特開平９−２６０７３４号公報
【特許文献３】特開２０００−１５０９７４号公報
【特許文献４】特開２００６−６６７８３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２５】
本発明は、上記従来技術の限界を踏まえ、酸化物超電導体薄膜及び酸化物絶縁層を複数積層し、大規模の超電導回路を実現する場合において、ジョセフソン接合の特性劣化や特性変化のない多層構造の超電導素子とその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２６】
前述したように、規模の大きなSFQ回路や、複雑な構造を持つ高感度のSQUIDセンサを作製するためには、素子構造を多層化すること、及び、接合層上部に、配線やコイルなどの回路要素を作製することが不可欠であるが、従来技術では、ジョセフソン接合を有する超電導層の上部に、ジョセフソン接合の接合特性を劣化又は変化させることなく、超電導層や絶縁層を積層し、さらには、最上層に、配線やコイルなどの回路要素を作製し、大規模で、かつ、回路特性に優れた超電導素子を作製することは困難である。
【００２７】
本発明者は、上記従来技術の限界を打破すべく、ジョセフソン接合の接合特性を劣化又は変化させることなく、超電導層及び絶縁層の多層構造を実現し、さらに、最上層に、配線やコイルなどの回路要素を作製する方法について鋭意研究した。
【００２８】
その結果、本発明者は、ジョセフソン接合を、最上層となる超電導層を積層する時に、同時に形成すれば、加熱プロセスによる影響を受けることなく、所要の接合特性を有するジョセフソン接合を、所要の位置に、所要の数、形成することができることを見出した。
【００２９】
本発明は、上記知見に基づいてなされたもので、その要旨は、以下のとおりである。
【００３０】
（１）  絶縁性基板の上に酸化物超電導薄膜と酸化物絶縁薄膜を交互に積層した多層構造であり、該多層構造にジョセフソン接合を含む超電導素子であって、
(i)ジョセフソン接合として、最上層の酸化物超電導薄膜層の積層と同時に少なくとも一方の接合電極を形成したジョセフソン接合を備え、かつ、
(ii)少なくとも多層構造上の最上層の酸化物超電導薄膜層には、回路要素パターンを具備する
ことを特徴とする超電導素子。
【００３１】
（２）  前記絶縁性基板が、バイクリスタル基板であり、前記ジョセフソン接合が、該基板上に形成されたバイクリスタル型ジョセフソン接合であることを特徴とする前記（１）に記載の超電導素子。
【００３２】
（３）  前記絶縁性基板が、バイクリスタル基板であり、前記ジョセフソン接合が、該基板上に形成されたバイクリスタル型ジョセフソン接合、及び、最上層の酸化物超電導層と他の酸化物超電導薄膜層とで形成されたランプエッジ型ジョセフソン接合であることを特徴とする前記（１）に記載の超電導素子。
【００３３】
（４）  前記ジョセフソン接合が、最上層の酸化物超電導層と他の酸化物超電導薄膜層とで形成されたランプエッジ型ジョセフソン接合であることを特徴とする前記（１）に記載の超電導素子。
【００３４】
（５）  前記回路要素が、配線又はコイルであることを特徴とする前記（１）〜（４）のいずれかに記載の超電導素子。
【００３５】
（６）  前記絶縁性基板が、基板表面に段差を有する基板であり、前記ジョセフソン接合が、該基板段差上に形成されたステップエッジ型ジョセフソン接合であることを特徴とする前記（１）に記載の超電導素子。
（７）超電導素子の製造方法において、
(i)絶縁性基板の上に、酸化物超電導薄膜と酸化物絶縁薄膜を交互に積層して、多層構造を形成し、
(ii)上記多層構造において、ジョセフソン接合を形成する部位の多層構造を除去して、酸化物超電導薄膜と酸化物絶縁薄膜が露出した断面凹状又は逆台形状の空間、または酸化物超電導薄膜と酸化物絶縁薄膜と絶縁性基板が露出した断面凹状又は逆台形状の空間を形成し、その後、
(iii)最上層の酸化物超電導薄膜を、回路要素を含む回路層として積層するとともに、上記空間内の露出薄膜上にも積層し、上記部位に、ジョセフソン接合を形成する
ことを特徴とする超電導素子の製造方法。
【００３６】
（８）  前記絶縁性基板が、バイクリスタル基板であり、前記多層構造を、該基板に達するまで除去し、該基板上にバイクリスタル型ジョセフソン接合を形成することを特徴とする前記（７）に記載の超電導素子の製造方法。
【００３７】
（９）  前記絶縁性基板が、バイクリスタル基板であり、前記多層構造を、該基板に達するまで除去し、該基板上にバイクリスタル型ジョセフソン接合を形成するとともに、他の酸化物超電導薄膜層とでランプエッジ型ジョセフソン接合を形成することを特徴とする前記（７）に記載の超電導素子の製造方法。
【００３８】
（１０）  前記ジョセフソン接合が、他の酸化物超電導薄膜層とで形成されたランプエッジ型ジョセフソン接合であることを特徴とする前記（７）に記載の超電導素子の製造方法。
【００３９】
（１１）  前記回路要素が、配線又はコイルであることを特徴とする前記（７）〜（１０）のいずれかに記載の超電導素子の製造方法。
【００４０】
（１２）  前記絶縁性基板が、基板表面に段差を有する基板であり、前記多層構造を、該基板に達するまで除去し、該基板段差上にステップエッジ型ジョセフソン接合を形成することを特徴とする前記（７）に記載の超電導素子の製造方法。
【発明の効果】
【００４１】
本発明によれば、基板加熱を伴う最後の積層工程で、最上層の超電導体薄膜層の積層と同時に、ジョセフソン接合の形成を行うので、超電導素子の製造途中で、バリア層が基板加熱に伴う熱の影響を受け、接合特性が劣化したり変化したりすることを解消して、超電導体素子の層構造を多層構造とすることができる。また、本発明によれば、最上層の酸化物超電導薄膜層を加工して、回路要素を含む回路層として使用することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４２】
本発明は、絶縁性基板の上に、酸化物超電導薄膜と酸化物絶縁薄膜を交互に積層した多層構造の超電導素子を作製する場合において、ジョセフソン接合の形成を、最上層の酸化物超電導薄膜層の積層と同時に行い、かつ、最上層の酸化物超電導薄膜層を加工して、回路要素を含む回路層として使用することを特徴とする。以下、図面に基づいて、本発明の根底となる技術思想について説明する。
【００４３】
(バイクリスタル接合の作製)
図２４に、バイクリスタル線２を備える絶縁体バイクリスタル基板1の上に、２層の超電導薄膜と１層の絶縁体薄膜を堆積した多層構造を示す。図２４（ａ）は、多層構造の断面態様を示し、図２４（ｂ）は、多層構造の平面態様を示す。
【００４４】
パターン形成した第１超電導体層３ａの上に、絶縁層５を堆積する。その後、接合を形成するバイクリスタル線２の上に存在する第１超電導体層や絶縁層を除去して基板のバイクリスタル線を露出させた後、第２層超電導体層８を堆積し、超電導薄膜粒界３３を形成する。その後、第２層超電導体層をパターニングして、ジョセフソン接合とコイル部分を作製する。
【００４５】
この場合、接合作製後に基板を加熱する基板加熱プロセスは存在しないので、熱による接合特性の劣化や変化がなく、良好な接合特性を有するジョセフソン接合を形成することが可能であり、かつ、絶縁層上には、配線、コイル等の回路要素を作製することができる。その結果、超電導素子において、多層構造化と優れた接合特性によるSQUID特性の向上が実現する。
【００４６】
このように、本発明によれば、基板上に形成した第１超電導体パターン、第１超電導体パターン上に形成した絶縁パターン、及び、絶縁パターン上に形成した最上層の超電導体パターンであって、パターン下面又はパターン中にジョセフソン接合のバリア層が形成され、かつ、回路要素が形成されている第２超電導体パターンからなる多層構造の超電導素子を提供することができる。
【００４７】
図２４に示す超電導素子の多層構造においては、第２超電導体パターンが最上層であるが、本発明においては、第ｎ超電導パターンを最上層とすることができる。即ち、本発明は、第１〜ｎ−１超電導体パターンを形成した後、最上層の第ｎ超電導パターンを形成する時、同時に、ジョセフソン接合を、所要の位置に、所要の個数形成することを特徴とする。
【００４８】
したがって、本発明のジョセフソン接合は、従来技術で作製したジョセフソン接合と異なり、バリア層が、第１〜ｎ−１超電導体パターンを形成する基板加熱プロセスに起因する熱の影響を受けていないから、接合形成時の優れた接合特性をそのまま維持している接合である。
【００４９】
本発明のジョセフソン接合が、接合形成時の優れた接合特性をそのまま維持できる理由について、作製プロセスの観点から、以下に説明する。
【００５０】
図２４に示す多層構造の超電導素子は、バイクリスタル基板の上に第１超電導体パターンを形成する工程、第１超電導体パターンの上に第１絶縁体パターンを形成する工程（いずれも、基板加熱を必要とする工程である）、バイクリスタル基板のバイクリスタル線上の第１超電導体パターンと第１絶縁体パターンを除去して、バイクリスタル線を露出させる工程、及び、基板加熱を必要とする最後の工程として、バイクリスタル線に沿った粒界よりなるバリア層を備えるとともに、回路要素を構成し得る最上層の第２超電導体パターンを形成する工程を経て作製される。
【００５１】
このような工程を経る製造方法においては、第２超電導体パターンを形成する工程がバイクリスタル基板を加熱する最後の工程になるので、第２超電導体パターンを形成した後に、ジョセフソン接合を熱に曝す工程は存在せず、絶縁パターン層等を構成する構成元素が、熱によってバリア層中に拡散していき、接合特性を劣化させる現象は発現しない。
【００５２】
即ち、第1及び第２超電導体パターンとバリア層とで構成されるジョセフソン接合は、超電導素子の製造途中で、接合特性を劣化させる熱の影響を受けていなので、接合形成時の優れた接合特性をそのまま維持している接合であり、多層構造と、優れた接合特性を有するジョセフソン接合を備える大規模な超電導回路の実現を可能とするものである。
(ステップエッジ接合の作製)
図２５に、ステップエッジ３４を備える絶縁基板２０の上に、２層の超電導薄膜と１層の絶縁体薄膜を堆積した多層構造を示す。図２５（ａ）は、多層構造の断面態様を示し、図２５（ｂ）は、多層構造の平面態様を示す。
【００５３】
パターン形成した第１超電導体層３ａの上に、絶縁層５を堆積する。その後、接合を形成するステップエッジ３４の上に存在する第１超電導体層や絶縁層を除去して基板のステップエッジを露出させた後、第２層超電導体層８を堆積し、超電導薄膜粒界３３を形成する。その後、第２層超電導体層をパターニングして、ジョセフソン接合とコイル部分を作製する。
【００５４】
この場合、接合作製後に基板を加熱する基板加熱プロセスは存在しないので、熱による接合特性の劣化や変化がなく、良好な接合特性を有するジョセフソン接合を形成することが可能であり、かつ、絶縁層上には、配線、コイル等の回路要素を作製することができる。その結果、超電導素子において、多層構造化と優れた接合特性によるSQUID特性の向上が実現する。
(ランプエッジ接合の作製)
次に、ジョセフソン接合が、界面改質型ランプエッジ接合の場合について説明する。
【００５５】
図２６に、接合層の下部に酸化物超電導体薄膜のグランドプレーン２１が存在し、さらに、接合層の上部に上部配線構造が存在する構造を示す。図２６（ａ）は、多層構造の断面態様を示し、図２６（ｂ）は、多層構造の平面態様を示す。接合を作製する第1超電導体層２３と、その上部の絶縁層２４を堆積した後に、接合を作製する位置の上に存在する第1超電導体層２３と絶縁層２４を除去し、グランドプレーン２１の上に存在する下地絶縁層２２を露出させる。
【００５６】
ここで、界面改質型ランプエッジ接合の傾斜面２３ｂとアモルファス層２３ｃが形成される。その後、第2層超電導体層２７ａを堆積し、アモルファス層２３ｃを改質してランプエッジ接合用バリア層２３ｄを形成する。その後、第2層超電導体層をパターニングして、ジョセフソン接合と配線部分を作製する。
【００５７】
この場合、接合作製後に基板加熱プロセスが存在しないので、接合特性は設計値からの変動がなく、設計値どおり良好な接合特性を有するジョセフソン接合を形成することができる。しかも、絶縁層上には、上部配線等の回路要素を作製することができ、多層構造による大規模回路の実現も可能である。
【００５８】
本発明による界面改質型ランプエッジ接合の作製プロセスは、基板の上に第１超電導体層を形成する工程、第１超電導体層の上に絶縁パターンを形成する工程、絶縁パターンをマスクにして第１超電導体層をエッチングして、傾斜面を有する第１超電導体パターンを形成する工程、傾斜面の上にランプエッジ接合用バリアの基となるアモルファス層を形成する工程、基板を加熱する最後の工程として、絶縁パターンとランプエッジ接合用傾斜面の上に、回路要素を構成し得る最上層の第２超電導体パターンを形成する工程とからなる。
【００５９】
第２超電導体パターンを形成する工程が、基板を加熱する最後の工程になるので、第１、第２超電導体パターンとランプエッジ接合用バリア層により構成されるジョセフソン接合の接合特性が、基板加熱に起因する熱の影響で劣化するのを回避して、設計値どおりの良好な接合特性を有するジョセフソン接合を備える多層構造の超電導体素子を得ることが可能となる。
【００６０】
さらに、以下に、本発明について、図面に基づいて詳細に説明する。
【００６１】
回路規模の大きな超電導素子を作製するためには、下層の超電導体パターンを形成した後に、上層の超電導体パターンを形成して、超電導パターンを多層化することが有効である。
【００６２】
しかし、前述したように、超電導パターンを形成する工程は、基板加熱を伴うので、ジョセフソン接合を形成した後に、上層の超電導体パターンを形成すると、その超電導体パターンを形成する時の基板加熱に伴う熱によって、ジョセフソン接合が劣化する恐れがある。
【００６３】
したがって、超電導体パターンを多層化する場合においては、上層の超電導体パターンの形成と同時に、ジョセフソン接合が形成されるように、多層化と接合形成プロセスを、所定の順序に規定する必要がある。
【００６４】
以下に本発明の実施形態を説明する。
【００６５】
（１）第１実施形態
本発明の実施の形態に係る超電導素子について、その製造工程を追いながら詳細に説明する。
【００６６】
本実施形態では、バイクリスタル基板のバイクリスタル線に沿って、超電導体層内に粒界を形成し、その粒界をジョセフソン接合のバリア層として用いる。
【００６７】
図１〜図３は、本実施形態に係る超電導素子の製造途中の断面図であり、図４〜図７は、その平面図である。
【００６８】
最初に、図１（ａ）に示すように、SrTiO3(STO)よりなるバイクリスタル基板１の上に、パルスレーザデポジション(PLD)法により、第１超電導体層３として、厚さ約２００nmのY1Ba2Cu3O7-x(YBCO)層を形成する。この第１超電導体層３は、基板温度７４０℃で、酸素雰囲気中で成膜される。なお、第１超電導体層３は、酸化物超電導体層であればよく、上記したYBCO層に限定されない。
【００６９】
更に、パルスレーザデポジション法に代えて、スパッタ法で第１超電導体層３を形成してもよい。スパッタ法を採用する場合でも、酸化物よりなる第１超電導体層３の形成には、基板加熱が必要である。
【００７０】
バイクリスタル基板１は、バイクリスタル線２を境にして二つのSrTiO3結晶基板を張り合わせたものであり、SrTiO3結晶基板の接合角度は３０°である。但し、バイクリスタル基板１の材料や接合角度はこれらに限定されない。例えば、MgO基板やLaAlO3(LAO)基板の酸化物絶縁基板をバイクリスタル基板１として用いてもよい。また、その接合角度として、３０°の他に、２４°又は３６°も採用し得る。
【００７１】
なお、図４は、この工程を終了した後の平面図であり、先の図１（ａ）は図４のA1−A1線に沿う断面図に相当する。
【００７２】
次いで、図１（ｂ）に示すように、第１超電導体層３の上に、所定形状の第１レジストパターン４を形成する。この第１レジストパターン４をマスクにして、Arイオンミリングにより、第１超電導体層３をエッチングし、図１（ｃ）に示すような第１超電導体パターン３ａを得る。このエッチングの後に、第１レジストパターン４は除去される。
【００７３】
図５は、上記工程を終了した後の超伝導パターンの平面図である。そして、先の図１（ｃ）は、図５のA2−A2線に沿う断面図に相当する。
【００７４】
続いて、図２（ａ）に示すように、第１超電導体パターン３ａとバイクリスタル基板１の上に、パルスレーザデポジション法により、絶縁層５として、厚さ約４００nmのCeO2層を形成する。絶縁層５の成膜条件は特に限定されないが、本実施形態では、基板温度６４０℃で、酸素雰囲気中で成膜した。
【００７５】
次に、図２（ｂ）に示すように、絶縁層５の上に、第２レジストパターン７を形成する。
【００７６】
その後に、第２レジストパターン７をマスクにして、Arイオンミリングにより絶縁層５をエッチングし、図２（ｃ）に示すように、バイクリスタル線２が露出する開口５ｂを備える絶縁パターン５ａを形成する。
【００７７】
更に、第２レジストパターン７と絶縁パターン５ａをマスクにして、引き続きArイオンミリングを行って、開口５ｂの下の第１超電導体パターン３ａを除去し、バイクリスタル線２を露出させる。
【００７８】
上記エッチングでは、Arイオンによって第２レジストパターン７の側面が後退するので、エッチングの終了後は、開口５ｂの下の第１超電導体パターン３ａの側面が、傾斜面３ｂとなる。上記エッチングの終了後、第２レジストパターン７は除去される。
【００７９】
なお、図６は、上記工程を終了した後の平面図であり、先の図２（ｃ）は、図６のA3−A3線に沿う断面図に相当する。
【００８０】
図６に示すように、上記エッチングでは、開口５ｂの形成と同時に、第１超電導体パターン３ａの上の絶縁パターン５ａに、コンタクトホール５ｃが形成され、コンタクトホール５ｃから、第１超電導体パターン３ａが露出することになる。
【００８１】
次に、図３（ａ）に示す断面構造を得るまでの工程について説明する。
【００８２】
まず、基板加熱が必要な最後の工程として、絶縁パターン５ａと開口５ｂ内のバイクリスタル線２の上に、パルスレーザデポジション法により、厚さ約１００nmの YBCO層を形成し、このYBCO層を第２超電導体層８とする。第２超電導体層８は、基板温度７４０℃で、酸素雰囲気中で成膜される。なお、第２超電導体層８は、酸化物超電導体層であればよく、YBCO層に限定されない。
【００８３】
パルスレーザデポジション法に代えて、スパッタ法で第２超電導体層８を形成してもよいが、どちらの方法を用いても、第２超電導体層８の形成には基板加熱が必要である。
【００８４】
前述したように、バイクリスタル基板１はバイクリスタル線２を境にして結晶方向が異なるので、この結晶方向の違いを反映して、第２超電導体層８の膜中に、バイクリスタル線２に沿って、バリア層８ｂを担う粒界が形成される。そして、バリア層８ｂとその両側の第２超電導体層８により、ジョセフソン接合J1が構成される。
【００８５】
ところで、バリア層８ｂを構成する粒界は、原子配列が乱れている部分であるから、バリア層８ｂを形成した後に基板１を加熱すると、基板加熱に伴う熱の影響で、絶縁パターン５ａの構成元素がバリア層８ｂに拡散していき、ジョセフソン接合の接合特性、例えば、超電導転位温度Tc等が低下する恐れがある。
【００８６】
そこで、本実施形態では、基板加熱を伴う第２超電導体層８の形成を最後の工程とするとともに、この最後の工程で、ジョセフソン接合を形成する。この工程以後、基板加熱を伴う工程は存在しないので、接合特性は、設計値どおりの良好なものとなる。
【００８７】
その後、メタルマスク（図示なし）を用いた蒸着法により、第２超電導体層８の上に、第１、第２電極９、１０を形成する。なお、ジョセフソン接合の劣化を防止するため、電極９、１０を形成する時、バイクリスタル基板１は加熱しない。
【００８８】
次いで、図３（ｂ）に示すように、第２超電導体層８と電極９、１０の上にフォトレジストを塗布し、ステッパ（図示なし）により露光し、その後、現像して、第３レジストパターン１１を形成する。
【００８９】
次に、図３（ｃ）に示すように、第３レジストパターン１１をマスクにして、Arイオンミリング法により第２超電導体層８をエッチングして、第２超電導体パターン８ａを形成し、その後、第３レジストパターン１１を除去する。
【００９０】
第１電極９の下の第２超電導体パターン８ａは、絶縁パターン５ａの上において回路要素を備える回路層となり、バイクリスタル線２の横の傾斜面３ｂにおいて、第１超電導体パターン３ａと電気的に接続される。
【００９１】
図７は、上記工程を終了した後の平面図であり、先の図３（ｃ）は、図７のA4−A4線に沿う断面図に相当する。
【００９２】
図７に示すように、この超電導素子は、超電導ループを構成する第２超電導体パターン８ａに二つのジョセフソン接合J1が形成されたSQUIDである。
【００９３】
そして、第２電極１０寄りの第２超電導体パターン８ａは、絶縁パターン５ａの上において、SQUIDの検出コイルとして渦巻状に形成され、コンタクトホール５ｃを介して、その下の第１超電導体パターン３ａと電気的に接続されている。
【００９４】
以上により、本実施形態に係る超電導素子の基本構造が完成したことになる。
【００９５】
図３（ｃ）に示すように、この超電導素子は、第１、第２超電導体パターン３ａ、８ａが多層構造を構成し、第２超電導体パターン８ａが、絶縁パターン５ａの上で、配線やコイル等の回路要素を備える回路層を構成しているので、一層のみの超電導体パターンが形成される従来の超電導素子と比較して、超電導回路の大規模化に有利である。
【００９６】
しかも、本実施形態では、第２超電導体層８にバリア層８ｂを形成した後（図３（ａ）の工程以降）は、第２超電導体パターン８ａを、最上層の超電導体パターンとして形成する。超電導体パターンの形成に基板加熱は必要であるが、第２超電導体パターン８ａを最上層に形成するとともに、同時に、ジョセフソン接合を形成するので、熱によるバリア層８ｂの劣化がなく、設計値どおりのジョセフソン接合を形成することができる。
【００９７】
本発明者は、バリア層８ｂの劣化が実際に抑制されていることを確かめるため、次のような調査を行った。
【００９８】
図８及び図９は、この調査で使用した第１比較例及び第２比較例に係る超電導素子の断面図である。なお、これらの図において、図１〜図７で説明したのと同じ要素には、同じ符号を付し、以下では、その説明を省略する。
【００９９】
図８に示す第１比較例では、バイクリスタル基板１の上に、バイクリスタル線２に沿ったバリア層３ｘを備えた第１超電導体パターン３ａのみを形成した。そして、第１超電導体パターン３ａの上には、成膜時に基板加熱が必要な絶縁層や超電導体層を形成しなかった。
【０１００】
一方、図９に示す第２比較例では、第１比較例の第１超電導体パターン３ａを形成した後に、絶縁パターン５ａと第２超電導体パターン８ａとを形成した。パターン５ａ、８ａの形成時には基板加熱が必要であり、バリア層である超電導薄膜結晶粒界３３は、基板加熱に伴う熱に曝されることになる。
【０１０１】
図１０（ａ）に、本実施形態、第１比較例、及び第２比較例それぞれのジョセフソン臨界電流Icを示す。同図に示すように、バリア層である超電導薄膜結晶粒界３３を形成した後に第２超電導体パターン８ａを形成した第２比較例では、ジョセフソン臨界電流Icが大きく低減しており、グラフと横軸との交点である臨界温度Tcも低下している。
【０１０２】
これは、第２超電導体パターン８ａを形成する際の熱によりバリア層である超電導薄膜結晶粒界３３が劣化したためであると考えられる。特に、第２比較例では、臨界温度Tcが液体窒素の沸点（７７K）よりも低くなるため、液体窒素を用いて回路を冷却することができないという問題が生じる。
【０１０３】
これに対し、最上層の第２超電導体層８の形成と同時にバリア層８ｂを形成する本実施形態では、バリア層８ｂの形成後に基板加熱がないため、比較例１と同じ程度にジョセフソン臨界電流Icが高く、且つ、液体窒素の沸点（７７K）よりも高い温度に臨界温度Tcが維持されている。
【０１０４】
また、図１０（ｂ）に、上記本実施形態と第１、第２比較例のそれぞれについて、IcRn積と温度の関係を示す。
【０１０５】
図１０（ｂ）に示すように、バリア層である超電導薄膜結晶粒界３３の形成後に第２超電導体パターン８ａを形成する第１比較例では、IcRn積が低下している。
【０１０６】
これに対し、本実施形態では、第１比較例と同程度にIcRn積が維持されており、バリア層８ｂの劣化が抑制されている。
【０１０７】
以上の結果から、本実施形態のように、最上層の第２超電導体パターン８ａの形成後に、基板加熱を伴う工程を行わなければ、ジョセフソン接合J1を構成するバリア層８ｂの劣化を防止できることが確かめられた。
【０１０８】
（２）第２実施形態
図１１（ａ）及び（ｂ）は、本実施形態に係る超電導素子の製造途中の断面図である。なお、これらの図において、第１実施形態で説明した要素には、第１実施形態と同じ符号を付し、以下では、その説明を省略する。
【０１０９】
本実施形態に係る超電導素子を作製するには、まず、第１実施形態で説明した図１（ａ）〜図２（ｃ）の工程を行う。
【０１１０】
次いで、図１１（ａ）に示すように、バイクリスタル基板１に対してアルゴンイオンを垂直に照射して、傾斜面３ｂにおける第１超電導体パターン３ａを改質して、アモルファス層３ｄを形成する。アルゴンイオンを照射する条件は特に限定されないが、本実施形態では、イオンの加速電圧を約５００V、イオン電流を約６０mAとした。
【０１１１】
この後は、第１実施形態の図３（ａ）〜図３（ｃ）の工程を行うことにより、図１１（ｂ）に示すような第２超電導体パターン８ａを形成する。
【０１１２】
アモルファス層３ｄは、図３（ａ）の第２超電導体層８を形成する際の熱により再結晶化し、ランプエッジ型接合用バリア層３ｅとなる。このようなバリア層３ｅは、表面改質型バリア層とも呼ばれる。
【０１１３】
そして、ランプエッジ型接合用バリア層３ｅと、第１、第２超電導体パターン３ａ、８ａにより、ジョセフソン接合J2が構成されることになる。
【０１１４】
本実施形態によれば、第２超電導体パターン８ａの形成工程において、既述のバリア層８ｂの他に、ランプエッジ型接合用バリア層３ｅをも形成することができる。
【０１１５】
しかも、第１実施形態と同様に、第２超電導体パターン８ａの形成工程を、基板加熱が必要な最後の工程とするので、バリア層８ｂ、３ｅが熱によって劣化するのが回避されて、ジョセフソン臨界電流等の接合特性は低下を最小限抑制したことになる。
【０１１６】
特に、アモルファス層３ｄを再結晶化してなる表面改質型のランプエッジ型接合用バリア層３ｅでは、再結晶化が途中で終了して結晶状態が不安定となっている場合があるので、他のバリア層、例えば、人工薄膜よりなるバリア層と比較して熱により劣化し易い。したがって、本発明によれば、このような表面改質型のバリア層において、熱によるバリア層の劣化を防止することができる。
【０１１７】
（３）第３実施形態
図１２（ａ）及び（ｂ）は、本実施形態に係る超電導素子の製造途中の断面図である。なお、これらの図において、第１実施形態で説明した要素には、第１実施形態と同じ符号を付し、以下では、その説明を省略する。
【０１１８】
まず、第１実施形態で説明した図１（ａ）〜図３（ａ）の工程を行うことにより、図１２（ａ）に示すように、バイクリスタル線２が露出したバイクリスタル基板１と絶縁パターン５ａの上に第２超電導体層８を形成した構造を得る。
【０１１９】
但し、本実施形態では、絶縁層５をパターニングして絶縁パターン５ａを得る際（図２（ｃ））、第１超電導体パターン３ａの傾斜面３ｂが絶縁パターン５ａで覆われた状態とする。
【０１２０】
その後に、既述の図３（ｂ）、図３（ｃ）の工程を行うことで、第２超電導体層８をパターニングし、図１２（ｂ）に示すような第２超電導体パターン８ａを形成する。
【０１２１】
この後は、第１実施形態と同様に、基板加熱が必要な工程、例えば、酸化物よりなる絶縁層や超電導体層の形成工程を行わず、第２超電導体層８の形成工程（図３（ｃ））を、基板加熱が必要な最後の工程とする。
【０１２２】
本実施形態では、絶縁パターン５ａにより第１超電導体パターン３ａと第２超電導体パターン８ａとが絶縁された構造を得ることができる。
【０１２３】
また、第１、第２実施形態と同様に、第２超電導体パターン８ａを形成した後に基板加熱が必要な工程を行わないので、第２超電導体パターン８ａに形成されたバリア層８ｂにおいては、熱による劣化がない。
【０１２４】
（４）第４実施形態
本実施形態では、超電導体パターンの傾斜面にバリア層を形成するランプエッジ型のジョセフソン接合を形成する。
【０１２５】
図１３〜図１７は、本実施形態に係る超電導素子の製造途中の断面図であり、図１８〜図２３は、その平面図である。
【０１２６】
最初に、図１３（ａ）に示すように、レーザデポジション法により、MgOよりなる絶縁基板２０の上に、厚さ約２００nmのランタンドープYBCO層を形成し、それを超電導体グランドプレーン２１とする。
【０１２７】
更に、グランドプレーン２１の上に、下地絶縁層２２として、パルスレーザデポジション法で、厚さ約３００nmのSrSnO3(SSO)層を形成する。
【０１２８】
図１８は、この工程を終了した後の平面図であり、先の図１３（ａ）は、図１８のB1−B1線に沿う断面図に相当する。
【０１２９】
続いて、図１３（ｂ）に示すように、レジストパターン（図示なし）を用いたArイオンミリングにより、下地絶縁層２２をパターニングし、超電導体グランドプレーン２１に達する第１コンタクトホール２２ａを形成する。
【０１３０】
なお、この工程を終了後の平面態様を、図１９に示す。そして、既述の図１３（ｂ）は、図１９のB2−B2線に沿う断面図に相当する。
【０１３１】
次に、図１４（ａ）に示すように、下地絶縁層２２の上とコンタクトホール２２ａの内に、第１超電導体層２３として、ランタンドープYBCO層を形成する。第１超電導体層２３は、例えば、基板温度７４０℃、酸素雰囲気中で、パルスレーザデポジション法で形成され、厚さは約２００nmである。また、第１超電導体層２３は、酸化物超電導体層であればよく、ランタンドープYBCO層に限定されない。
【０１３２】
更に、第１超電導体層２３の成膜方法は、パルスレーザデポジション法に限定されず、スパッタ法であってもよい。但し、どのような成膜方法を採用しても、第１超電導体層２３を形成する際に、基板加熱が必要となる。
【０１３３】
その後に、パルスレーザデポジション法で、第１超電導体層２３上に、厚さ約３００nmのSSO層を形成し、SSO層を第１絶縁層２４とする。なお、この第１絶縁層２４の成膜条件は特に限定されないが、本実施形態では、酸素雰囲気中で基板温度を約７００℃とした。
【０１３４】
上記工程終了後の平面図は図２０のようになり、既述の図１４（ａ）は、図２０のB3−B3線に沿う断面図に相当する。
【０１３５】
続いて、図１４（ｂ）に示すように、不図示のレジストパターンを用いるArイオンミリングにより、第１絶縁層２４の一部をエッチングして除去する。これにより、第１絶縁層２４は、第１開口２４ｂと第２コンタクトホール２４ｃとを備えた第１絶縁パターン２４ａとなる。
【０１３６】
更に、この第１絶縁パターン２４ａをマスクにして、引き続きArイオンミリングを行い、第１開口２４ｂの下の第１超電導体層２３を除去する。このイオンミリングの結果、第１超電導体層２３は、第１開口２４ｂの側面に連続した傾斜面２３ｂを備えた第１超電導体パターン２３ａとなる。このような第１超電導体パターン２３ａはベース電極とも呼ばれる。この後に、上記レジストパターンを除去する。
【０１３７】
図２１は、この工程を終了後の平面図である。そして、既述の図１４（ｂ）は図２１のB4−B4線に沿う断面図に相当する。
【０１３８】
次に、図１５（ａ）に示す断面構造を得るまでの工程について説明する。
【０１３９】
まず、絶縁基板２０の上側全面に、パルスレーザデポジション法でランタンドープYBCO層を形成し、このYBCO層で第２コンタクトホール２４ｃを完全に埋め込む。その後、Arイオンミリング法で、YBCO層をエッチバックして、第１絶縁パターン２４ａの上面の余分なYBCO層を除去し、第２コンタクトホール２４ｃ内にのみ、YBCO層を導電性プラグ２６として残す。
【０１４０】
更に、絶縁基板２０の上側全面に、パルスレーザデポジション法により第２絶縁層２７として、厚さ約４００nmのCeO2層を形成する。第２絶縁層２７は、基板温度約６４０℃で、酸素雰囲気中で成膜される。
【０１４１】
次いで、図１５（ｂ）に示すように、第２絶縁層２７上に、レジストパターン（図示なし）を形成し、このレジストパターンをマスクにしてArイオンミリング法により、第２絶縁層２７をエッチングする。これにより、第２絶縁層２７は、第３コンタクトホール２７ｃと、第１開口２４ｂに重なる第２開口２７ｂとを備えた第２絶縁パターン２７ａとなる。その後に、マスクに用いたレジストパターンを除去する。
【０１４２】
この工程を終了後の平面図は図２２のようになる。そして、既述の図１５（ｂ）は図２２のB5−B5線に沿う断面図に相当する。
【０１４３】
続いて、図１６（ａ）に示すように、絶縁基板２０に対してArイオンを垂直に照射して、第１超電導体パターン２３ａの傾斜面２３ｂを改質して、アモルファス層２３ｃを形成する。アルゴンイオン照射の条件は、特に限定されないが、本実施形態では、イオンの加速電圧を約５００V、イオン電流を約６０mAとした。
【０１４４】
次に、図１６（ｂ）に示すように、酸素雰囲気中で基板温度を７００℃とするパルスレーザデポジション法を用いて、第２絶縁パターン２７ａの上に、厚さ約２００nmのYb1Ba2Cu3O7-x(YbBCO)層を形成し、そのYbBCO層を第２超電導体層３１とした。なお、第２超電導体層３１は、酸化物超電導体層であればよく、YbBCO層に限定されない。
【０１４５】
また、パルスレーザデポジション法に代えて、スパッタ法で第２超電導体層３１を形成してもよい。但し、いずれの成膜方法を採用する場合でも、成膜時に、基板加熱は必要である。
【０１４６】
基板加熱に伴う熱により、第１超電導体パターン２３ａの傾斜面に形成されていたアモルファス層２３ｃは再結晶化し、表面改質型のランプエッジ型接合用バリア層２３ｄとなる。
【０１４７】
バリア層２３ｄは、熱に対して不安定であるので、バリア層２３ｄの形成後に基板を加熱すると、基板加熱に伴う熱により、下地絶縁層２２や第１絶縁パターン２４ａの構成元素がバリア層２３ｄに拡散し、バリア層２３ｄの特性が変化する恐れがある。
【０１４８】
そこで、本実施形態では、第２超電導体層３１の形成工程を基板加熱が必要な最後の工程とし、これ以降の工程では基板を加熱しないようにする。
【０１４９】
その後に、図１７に示すように、レジストパターン（図示なし）をマスクに用いて、Arイオンミリングにより第２超電導体層３１をエッチングし、最上層の第２超電導体パターン３１ａを形成する。なお、第２超電導体パターン３１ａのことをカウンタ電極と言う場合もある。
【０１５０】
第２超電導体パターン３１ａの下面には、既述のバリア層２３ｄが形成されており、このバリア層２３ｄと第１、第２超電導体パターン２３ａ、３１ａによりジョセフソン接合J3が構成される。
【０１５１】
図２３は、この工程を終了した後の平面図であり、先の図１７は図２３のB6−B6線に沿う断面図に相当する。
【０１５２】
図２３に示すように、第１絶縁パターン２４ａの上方の第２超電導体パターン３１ａは、超電導回路の回路要素である配線を備える回路層を構成する。
【０１５３】
既述のように、バリア層２３ｄ（図１７、参照）は熱に対して不安定であるため、第２超電導体パターン３１ａの形成後に基板加熱が必要な工程、例えば酸化物よりなる絶縁層や超電導体層の形成工程を行わず、バリア層２３ｄの特性画が熱によって変化するのを回避する。
【０１５４】
図１７に示すように、この超電導素子は、第１、第２超電導体パターン２３ａ、３１ａからなる多層構造を有している。そして、第２超電導体パターン３１ａが、第１絶縁パターン２４ａの上で、配線等の回路要素を含む回路層を構成しているので、一層のみの超電導体パターンが形成される従来の超伝導素子と比較して、超電導回路の大規模化に有利である
更に、本実施形態では、人工薄膜等の他のバリア層と比較して熱に弱い表面改質型のバリア層２３ｄが劣化するのを最小限に抑制するため、第２超電導体層３１の形成工程を基板加熱が必要な最後の工程とした。これにより、バリア層２３ｄによって構成されるジョセフソン接合J3の特性、例えば、ジョセフソン臨界電流等が低下するのが抑制され、回路の大規模化に有利な多層構造の超電導パターンを形成することが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【０１５５】
前述したように、本発明によれば、最上層の超電導体薄膜層の積層と同時に、ジョセフソン接合の形成を行うので、接合特性の劣化や変化がなく、かつ、最上層の酸化物超電導薄膜層を回路層として使用することができる多層構造の超電導体素子を提供することができる。したがって、本発明は、素子製造産業において、利用可能性の大きいものである。
【図面の簡単な説明】
【０１５６】
【図１】図１（ａ）〜（ｃ）は、本発明の第１実施形態に係る超電導素子の製造途中の断面図（その１）である。
【図２】図２（ａ）〜（ｃ）は、本発明の第１実施形態に係る超電導素子の製造途中の断面図（その２）である。
【図３】図３（ａ）〜（ｃ）は、本発明の第１実施形態に係る超電導素子の製造途中の断面図（その３）である。
【図４】図４は、本発明の第１実施形態に係る超電導素子の製造途中の平面図（その１）である。
【図５】図５は、本発明の第１実施形態に係る超電導素子の製造途中の平面図（その２）である。
【図６】図６は、本発明の第１実施形態に係る超電導素子の製造途中の平面図（その３）である。
【図７】図７は、本発明の第１実施形態に係る超電導素子の製造途中の平面図（その４）である。
【図８】図８は、第１比較例に係る超電導素子の断面図である。
【図９】図９は、第２比較例に係る超電導素子の断面図である。
【図１０】図１０（ａ）は、本発明の第１実施形態、第１比較例、及び第２比較例のそれぞれのジョセフソン臨界電流Icを調査して得られたグラフであり、図１０（ｂ）は、第１実施形態、第１比較例、及び第２比較例のそれぞれについてIcRn積と温度との関係を調査して得られたグラフである。
【図１１】図１１（ａ）、（ｂ）は、本発明の第２実施形態に係る超電導素子の製造途中の断面図である。
【図１２】図１２（ａ）、（ｂ）は、本発明の第３実施形態に係る超電導素子の製造途中の断面図である。
【図１３】図１３（ａ）、（ｂ）は、本発明の第４実施形態に係る超電導素子の製造途中の断面図（その１）である。
【図１４】図１４（ａ）、（ｂ）は、本発明の第４実施形態に係る超電導素子の製造途中の断面図（その２）である。
【図１５】図１５（ａ）、（ｂ）は、本発明の第４実施形態に係る超電導素子の製造途中の断面図（その３）である。
【図１６】図１６（ａ）、（ｂ）は、本発明の第４実施形態に係る超電導素子の製造途中の断面図（その４）である。
【図１７】図１７（ａ）、（ｂ）は、本発明の第４実施形態に係る超電導素子の製造途中の断面図（その５）である。
【図１８】図１８は、本発明の第４実施形態に係る超電導素子の製造途中の平面図（その１）である。
【図１９】図１９は、本発明の第４実施形態に係る超電導素子の製造途中の平面図（その２）である。
【図２０】図２０は、本発明の第４実施形態に係る超電導素子の製造途中の平面図（その３）である。
【図２１】図２１は、本発明の第４実施形態に係る超電導素子の製造途中の平面図（その４）である。
【図２２】図２２は、本発明の第４実施形態に係る超電導素子の製造途中の平面図（その５）である。
【図２３】図２３は、本発明の第４実施形態に係る超電導素子の製造途中の平面図（その６）である。
【図２４】図２４は、本発明（その１）に係る超電導素子の多層構造を示す図であり、図２４（ａ）は多層構造の断面態様を示し、図２４（ｂ）は多層構造の平面態様を示す。
【図２５】図２５は、本発明（その２）に係る超電導素子の多層構造を示す図であり、図２５（ａ）は多層構造の断面態様を示し、図２５（ｂ）は多層構造の平面態様を示す。
【図２６】図２６は、本発明（その３）に係る超電導素子の多層構造を示す図であり、図２６（ａ）は多層構造の断面態様を示し、図２６（ｂ）は多層構造の平面態様を示す。
【図２７】図２７は、従来技術（その１）に係る超電導素子の構造を示す図であり、図２７（ａ）は断面態様を示し、図２７（ｂ）は平面態様を示す。
【図２８】図２８は、従来技術（その２）に係る超電導素子の多層構造を示す図であり、図２８（ａ）は多層構造の断面態様を示し、図２８（ｂ）は多層構造の平面態様を示す。
【図２９】図２９は、従来技術（その３）に係る超電導素子の多層構造を示す図であり、図２９（ａ）は多層構造の断面態様を示し、図２９（ｂ）は多層構造の平面態様を示す。
【図３０】図３０は、従来技術（その４）に係る超電導素子の多層構造を示す図であり、図３０（ａ）は多層構造の断面態様を示し、図３０（ｂ）は多層構造の平面態様を示す。
【図３１】図３１は、従来技術（その５）に係る超電導素子の多層構造を示す図であり、図３１（ａ）は多層構造の断面態様を示し、図３１（ｂ）は多層構造の平面態様を示す。
【図３２】図３２は、従来技術（その６）に係る超電導素子の断面図である。
【図３３】図３３は、従来技術（その７）に係る超電導素子の多層構造を示す図であり、図３３（ａ）は多層構造の断面態様を示し、図３３（ｂ）は多層構造の平面態様を示す。
【符号の説明】
【０１５７】
１…バイクリスタル基板、２…バイクリスタル線、３…第１超電導体層、３ａ…第１超電導体パターン、３ｂ…傾斜面、３ｄ…アモルファス層、３ｅ…ランプエッジ接合用バリア層、４…第１レジストパターン、５…絶縁層、５ａ…絶縁パターン、５ｂ…開口、５ｃ…コンタクトホール、７…第２レジストパターン、８…第２超電導体層、８ａ…第２超電導体パターン、８ｂ…バリア層、９、１０…第１、第２電極、１１…第３レジストパターン、２０…絶縁基板、２１…グランドプレーン、２２…下地絶縁層、２２ａ…第１コンタクトホール、２３…第１超電導体層、２３ａ…第１超電導体パターン、２３ｂ…傾斜面、２３ｃ…アモルファス層、２３ｄ…ランプエッジ接合用バリア層、２４…第１絶縁層、２４ａ…第１絶縁パターン、２４ｂ…第１開口、２４ｃ…第２コンタクトホール、２６…導電性プラグ、２７…第２絶縁層、２７ａ…第２絶縁パターン、２７ｂ…第２開口、２７ｃ…第３コンタクトホール、３１…第２超電導体層、３１ａ…第２超電導体パターン、３３…第３超電導体層、32ａ…第３超電導体   パターン、３３…超電導薄膜結晶粒界、３４…ステップエッジ。
【図１】
2007324180.tif 000003
【図２】
2007324180.tif 000004
【図３】
2007324180.tif 000005
【図４】
2007324180.tif 000006
【図５】
2007324180.tif 000007
【図６】
2007324180.tif 000008
【図７】
2007324180.tif 000009
【図８】
2007324180.tif 000010
【図９】
2007324180.tif 000011
【図１０】
2007324180.tif 000012
【図１１】
2007324180.tif 000013
【図１２】
2007324180.tif 000014
【図１３】
2007324180.tif 000015
【図１４】
2007324180.tif 000016
【図１５】
2007324180.tif 000017
【図１６】
2007324180.tif 000018
【図１７】
2007324180.tif 000019
【図１８】
2007324180.tif 000020
【図１９】
2007324180.tif 000021
【図２０】
2007324180.tif 000022
【図２１】
2007324180.tif 000023
【図２２】
2007324180.tif 000024
【図２３】
2007324180.tif 000025
【図２４】
2007324180.tif 000026
【図２５】
2007324180.tif 000027
【図２６】
2007324180.tif 000028
【図２７】
2007324180.tif 000029
【図２８】
2007324180.tif 000030
【図２９】
2007324180.tif 000031
【図３０】
2007324180.tif 000032
【図３１】
2007324180.tif 000033
【図３２】
2007324180.tif 000034
【図３３】
2007324180.tif 000035